生態護岸在大四家子河治理工程的應用研究

張海波

(朝陽市水務工程技術審查中心，遼寧 朝陽 122000)

1 工程概況

1.1 防洪現狀

大四家子河屬小凌河一級支流，河長26km，平均比降為6.7‰，流域面積為279km2。大四家子河集水面大，河床上窄下寬。由于上游溝壑和支流較多，洪水暴漲暴落、源短流急，防洪標準低且防洪工程少，穩定性差、多彎曲，下游雖然有小部分護岸，但局部已嚴重破壞，長期以往勢必會引起較大的洪澇災害。防洪基礎設施薄弱、洪水災害嚴重以及防洪標準低，對沿河居民安全和經濟可持續發展已構成潛在的威脅。此外，村屯離河較近，地勢較平坦，河道彎道凹岸沖刷嚴重，近年來未發生較大洪水，河勢暫時穩定，但未從根本上消除河道險情，一旦遭遇較大降雨，將危及兩岸居民、工礦企業和交通干線的安全。河道上游兩岸有部分礦廠以及河道內的廢棄沙場，堆積嚴重侵占河道，應按統一規劃予以清除。

大四家子河全部屬于農村河流，堤防工程少且河道彎道較多，沒有防洪控制工程，經常出現險情，河道兩岸岸坎受沖刷現象較頻繁，河道內原有的護岸工程損壞嚴重，而且原有干砌石使用年限較長，片石的硬度不足，基礎埋深不足等問題。因此，迫切的需要對該流域河道進行治理，改善當地的生活環境及投資環境。

1.2 工程布置

工程起點位于朝陽縣北四家子鄉唐杖子橋上游430m處，終點位于大四家子河入小凌河河口處，均為農村段，治理段為K0+000至終點K20+616斷面。建設范圍內河道長度20.62km，通過采用生態護岸工程、清淤疏浚工程等方式，以消除險情隱患，減少河岸沖兌和水土流失，穩定局部河勢，美化兩岸環境，保護農田及公路等。

1)護岸工程。對部分沖刷嚴重，無工程的河段，采用防護措施，以及原有護岸工程損壞以及不達標段進行石籠護岸防護，保護耕地及岸坎，以達到設計防沖標準要求。護岸總長為15.22km，其中左岸總長為6.38km，右岸總長為8.84km。

2)河道疏浚工程。治理河段多年淤積，未曾清淤，縮窄了行洪斷面，造成河道彎曲，河床不穩定，影響行洪，本工程對河道淤積段進行清淤疏浚，恢復河道泄洪能力，以確保河道的行洪安全。擬對其河道按照天然坡降進行清淤，河道清淤疏浚工程長8.71km。

3)綠化工程。在護岸迎水側布置護灘林帶工程，種植耐澇的喬木，洪水時綠化工程地可防風防浪，降低洪水流速，搶險時又可就地取材。可將一定寬度的護岸帶補植于主行洪區邊界，以灌木作為主要樹種。

2 生態護岸設計

2.1 設計原則

生態護岸設計要合理布局、統籌兼顧，全面考慮應用要求、施工條件、地形地質、波浪和水流特性等，選擇墻式、直立式、坡式或者其它護岸形式；同時，應因地制宜的選用當地材料，在滿足防沖和結構安全性要求的情況下選取能夠符合美化環境、提高水體自凈能力、促進生物多樣性要求的護岸型式[1]。護岸設計應遵循以下原則：①護岸線應與河勢相適應，兩岸護岸間距不宜突然放大或縮小；②護岸縣要盡量平順，各段護岸不得選用急彎或折線，要平緩連接；③護岸線布置應盡量少占耕地，減少動遷，同時要有利于防洪搶險和工程管理；④設計方案不得侵占河道和束窄行洪斷面，科學設計工程措施和護岸線位置，最大程度的保持河流自然形態，恢復河道生態功能，避免“硬化、白化、渠化”河道。

2.2 防護形式比選

根據河道岸坎現狀和寬度情況，擬對階梯型格賓石籠生態護岸、漿砌石護岸、毛石混凝土護岸、直立式石籠護岸四種方案，從經濟條件及技術可能性的角度加以比較，具體如下：

1)毛石混凝土護岸。其缺點為工程投資高，需要水泥量大，對基礎要求嚴格，通水性差，不利于生態及地下水補給。優點是占用土地少，開挖量小，施工工序少，所需勞力也少。

2)漿砌石護岸。優點是占用土地少，開挖量小。缺點為工程投資相對較高，需要水泥量較大，對基礎要求嚴格，施工工序較多，所需勞力也多，相應工期長，施工質量不易控制，不利于河道生態，其優點是占用土地少，開挖量小。

3)直立式護岸：其優點是工程投資相對較低，耐久性好，使用壽命長，不利于生態及地下水補給；占用土地少，開挖量小，施工工序少，使用壽命長，抗震性能好，可變更性強，易于維護。缺點是不能實施生態綠化。

4)階梯式格賓石籠生態護岸。該護岸的優點有工程投資相對低，基礎親水性好，可實施植被綠化，利于生態；穩定性、整體性佳，施工便捷、工期短；耐久性好，使用壽命長；抗震性能好，可變更性強，易于維護。缺點為開挖量大，占地面積大[2]。

綜上所述，對于河道較窄、流速較大且岸坎陡坎明顯的情況，宜選取直立式護岸。考慮到治理河道為農村河段，兩岸耕地較多，河道寬度較窄，設計選取直立式格賓石籠護岸符合當地實情，經濟、合理。護岸工程總長15.22km，其斷面形式如圖1。

圖1 石籠護岸斷面形式

2.3 格賓石籠設計

依據《河道整治設計規范》有關規定，結合河道寬度較窄實際情況，局部臨河側無灘，已有護岸工程形式，以及結合朝陽縣當地其他廣泛應用的護岸工程形式，擬采用直立式石籠護岸。

在設計河底一下埋深1.2m，石籠網箱尺寸采用1.25m×1.2m×1m的兩個，基礎以上高度為2m，石籠網箱尺寸采用1.5m×1m×1m，1m×1m×1m。石籠網箱采用生態網格工藝，每1m一分石籠網箱，所用生態網格為機編五鉸六邊形，材質是熱鍍鋅絲，網孔為150mm×150mm，絲徑為φ3.75mm。格賓石籠鋼絲抗拉強度應為350-500MPa，采用三鉸工藝，雙線鉸合部分長度：格賓石籠≥55mm，網體綁扎間隔為200mm。填充材料可采用天然塊石或卵石，要求填筑材料具有耐久性好、不易碎、無風化跡象，填料的粒徑為1.5-2倍網孔尺寸(不在外表面填料粒徑可有15%的超出該范圍)，填充料級配應合理，填充后空隙率應<30%，抗壓強度≤30MPa，填充材料容重>20kN/m3。

2.4 護岸綠化帶設計

在不影響防洪安全的前提下，根據大四家子河上下游不同河段河道實際情況，在主行洪區因地制宜的補植綠化工程帶，并以灌木為主，綠化工程寬度1.2m。設計林帶距護腳線1m，株距3m×2m，樹種為楊樹，胸徑4-6cm，大四家子河擬種植楊樹1.07萬棵。在現狀橋梁上、下游種植垂柳，胸徑6-8cm，擬種植柳樹600棵。在護岸左右岸坡栽種灌木，灌木選擇棉槐，兩年生，叢高50cm，每叢3株，棉槐間距0.3m×0.3m，典型斷面形式如圖2所示。

圖2 綠化帶典型斷面形式

綠化工程不僅能夠減少水土流失、抵制洪水侵蝕耕地、穩固河灘，而且有利于美化環境和改善生態。在綠化工程緩沖作用下，能夠明顯降低洪水流速，從而減少水流沖刷破壞以及洪水災害損失。此外，綠化工程也是明確主行洪區范圍及其外沿控制線的根本依據，為后期管理提供有利條件。

3 護岸結構復核

3.1 護岸頂高程計算

依照《河道整治設計規范》、《生態格網結構技術規程》要求，結合該流域10a一遇洪水計算成果，按照實際情況，擬采用直立式石籠結構形式。護岸工程護至現狀岸頂高程，無明顯岸坎段護至平灘水位1m以上，格賓石籠地面以下埋深根據分段計算處的沖刷深度確定，護岸頂高程計算結果如表1所示。

表1 護岸岸頂高程計算

續表1 護岸岸頂高程計算

3.2 護岸穩定計算

根據《堤防工程設計規范》對運行條件的規定，選取正常運用設計水位和常水位條件、非常運用施工期條件兩種工況。采用《生態格網結構技術規程》中6.3.1、6.3.2、6.3.3公式進行石籠抗滑穩定、抗傾穩定計算和石籠基地壓應力驗算，具體如下：

(1)

(2)

(3)

式中：K0為抗傾安全系數；∑MV、∑MH為對石籠基底前趾的抗傾覆力矩和傾覆力矩，kN·m；Ks為抗滑安全系數；c0為基地黏聚力，kPa；f為基礎摩擦系數；∑G、∑H為作用在石籠上全部垂直于和平行于水平面的荷載，kN；B為水面寬度，m；e0為偏心距，并且符合條件e0≤B/6；σminmax為基礎底面最大、最小應力。

計算結果如表2所示，經計算石籠擋墻護岸設計斷面在正常運用和非常運用條件下，均滿足各項穩定要求。

表2 石籠穩定計算

3.3 沖刷深度計算

沖刷深度可以利用設計水位時的沖刷高程控制，采用《堤防工程設計規范》中的計算公式，具體如下：

(4)

(5)

(6)

式中：hs為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處的水深，m；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；Uc為泥沙起動流速，m/s；U為行進流速，m/s；n為反映岸坡形狀的參數，一般取1/4-1/6；η為水流流速不均勻系數，結合岸坡與水流流向交角α查《堤防工程設計規范》確定；γs、γ為泥沙與水的容重，kN/m3；d50為床沙的中值粒徑，m，d50取0.4mm。

通過計算各河段護岸工程沖刷深度如表3。結合表3計算結果沖刷深度可達0.84-1.26m，為保障護岸工程的安全性該地區凍深，護岸基礎埋深采用1.2m。

表3 護岸工程沖刷深度結果表

4 結 語

為有效解決大四家子河存在的防洪標準低、局部岸坡損毀嚴重、河道淤積嚴重等問題。文章提出采取生態護岸、清淤疏浚和河岸綠化等工程措施，結合原有防護工程、現狀岸坎等合理確定護岸線，維持原有天然岸坎進行科學設計護岸工程，以穩定河勢，歸順水流，逐步實現改善河道及區域防護的總體目標。

大四家子河生態護岸設計符合流域規劃，工程建設有利于促進當地居民生活水平的提升和經濟社會的發展，能夠改善地方投資環境和生態環境，從經濟發展、環境保護并重的角度，該工程的建設是可行的。